Lectures

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All lectures are held at the University of Bremen and focus on digital logic circuit design, distributed and parallel systems, sensor networks, and the introduction to computer science.

Lecture Scripts

MISS13 Stefan Bosse, Dirk Lehmhus
Material-integrierte Sensorische Systeme
Material-integrated Sensorial Systems
1. edition (2013)
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PARSYS13 Stefan Bosse
Hardware-Entwurf von parallelen Systemen, Logik- & High-Level-Synthese
Hardware-Design of parallel Systems, Logik- & High-Level-Synthesis
2. edition (2013)
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PDL12

Stefan Bosse
Anwendungsspezifische (programmierbare) Digitallogik und VHDL-Synthese
Application Specific (programmable) Digitallogic and VHDL-Synthesis
3. edition (2012)

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GDI12

Stefan Bosse
Grundlagen der Informatik – Einführung, Rechnerarchitektur, Betriebssysteme, Programmiersprachen, Compilerbau, Algorithmen und Datenstrukturen
Basics of Informatics – Introduction, Computerarchitecture, Operating Systems, Programming LanguagesCompilerconstruction, Algorithms and Datastructures
3. edition (2012)

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HWP10

Stefan Bosse
High-Level-RTL-Synthese mit einem Multi-Prozess-Modell
Von der imperativen algorithmischen Ebene zu der Register-Transfer Digitallogik-Ebene
High-Level-RTL Synthesis using a multi-process model
1. edition (2010)

 

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PDL07

Stefan Bosse
Anwendungsspezifische (programmierbare) Digitallogik und VHDL-Synthese
Application Specific (programmable) Digitallogic and VHDL-Synthesis
2. edition (2007)

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HWP06

Stefan Bosse
Hardware-Entwurf von parallelen Systemen, Logik- & High-Level-Synthese
Hardware-Design of parallel Systems, Logik- & High-Level-Synthesis
1. edition (2006)

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GDIA06

Stefan Bosse
Grundlagen der Informatik – Einführung, Rechnerarchitektur, Betriebssysteme, Programmiersprachen
Basics of Informatics – Introduction, Computerarchitecture, Operating Systems, Programming Languages
2. edition (2006)

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GDIB07

Stefan Bosse
Grundlagen der Informatik – Compilerbau, Algorithmen und Datenstrukturen 
Basisc of Informatics – Compilerconstruction, Algorithms and Datastructures
2. edition (2007)

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Programmierbare Digitallogik und VHDL Synthese

Application Specific (programmable) Digitallogic and VHDL-Synthesis

Vorlesung

ECTS: 6
Kategorie: V+Ü, 4 SWS
Veranstalter: Dr. Stefan Bosse
VAK: 03-ME-712.05

Einführung in den Hardware- und Systementwurf mit anwendungsspezifisch konfigurierbarer Digitallogik mittels VHDL-Synthese und deren Anwendungen. Hardware-Synthese ist ein automatischer Prozeß, um aus einer Verhaltens- und Strukturbeschreibung logische Schaltungen und Netzlisten zu erhalten, die direkt technologisch umsetzbar sind. Die verwendete Hardware-Beschreibungssprache sollte dabei unabhängig von der Zieltechnologie sein. Beim Hardware-Entwurf spielen System-On-Chip-Methoden eine wesentliche Rolle.

  1. Motivation und Einführung
    1. Einsatz und Grenzen von klassischen Mikroprozessoren in der digitalen Signalverarbeitung
    2. Digitale Signalverarbeitung und Anwendungen
    3. Daten- und Kontrollfluß in der digitalen Signalverarbeitung
    4. Sequentielle Systeme und Parallelität
    5. Vorteile von benutzerdefinierten parallelen Systemen
    6. Konfigurierbare Prozessoren als Alternative1.7 Zustandsautomaten und Register-TransferLogik
  2. Einführung in Grundlagen der Digitallogik und Boolesche Algebra
    1. Logische Grundfunktionen und technische Umsetzung
    2. Transistorlogik
    3. Boolesche Algebra, Normalformen und Logikminimierung
    4. KV-Diagramme und Verfahren nach Quine und McCluskey
    5. Kombinatorische Logik - Arithmetische Funktionen
  3. “Programmierbare” Logikbausteine: Einzelgatter, GAL, PAL, CPLD, FPGA, ASIC
  4. Einfache Digitalsysteme mit kombinatorischer Logik
  5. Register-Transfer basierte sequentielle Systeme
  6. Zustandsautomaten: ihre Anwendung und Realisierung
  7. Einführung in VHDL (parallel zu obigen Inhalten)
    1. Schnittstellenbeschreibung
    2. Architektur
    3. Konfiguration
    4. Datenobjekte, Kontrollelemente
  8. Grundlagen der Digitallogiksynthese und Syntheseverfahren
  9. Ebenen beim Digitalelektronik-Entwurf
    1. Systemebene
    2. Algorithmische Ebene
    3. Register-Transfer-Ebene
    4. Logikebene
    5. Schaltkreisebene

Hardware-Entwurf von parallelen und verteilten Systemen mit Logik- und High-level Synthese

Hardware-Design of parallel Systems, Logik- & High-Level-Synthesis

Vorlesung

ECTS: 6
Kategorie: V+Ü, 4 SWS
Veranstalter: Dr. Stefan Bosse
VAK: 03-ME-712.06

Diese Vertiefungsvorlesung soll die zunehmende Bedeutung der Parallelen Datenverarbeitung in der Informatik und beim Hardware-Chip-Entwurf verdeutlichen. Parallele Verarbeitungskonzepte sind in der Algorithmik und Software-Technik schon seit einigen Jahrzenten bekannt. Dabei wird ein Algorithmus in Teilprozesse partitioniert die auf mehreren Prozessoren nebenläufig ausgeführt werden. Anwendungen von parallelen und verteilten Algorithmen lagen bisher aber häufig im Bereich der rechenintensiven Numerik. Die Entwicklung tendiert zu immer leistungsfähigeren Mikroprozessoren, mit der Folge zunehmender Komplexität und viel bedeutender mit einer Zunahme der elektrischen Leistungsaufnahme. Dabei kann man zeigen, daß die Zerlegung eines komplexen Systems in ein System kooperierender weniger komplexer Systeme bei gleicher gesamter Rechenleistung deutliche Vorteile hat:

  • Geringere Komplexität der Einzelsysteme und reguläre Strukturen vereinfacht den Hardware-Entwurf.
  • Die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems ist i.A. geringer als die eines monolithischen Einprozessor-Systems.
  • Bestehende System-Entwürfe können durch reguläre Struktur erweitert werden.

Die aus der klassischen Mehrprozessor-Technik bekannten Strukturen und Algorithmen können beim Entwurf von digitalen Logik-Systemen unter gewissen Randbedingungen übertragen werden, so daß ein Hardware-Entwurf mit Modellen aus der Software-Technik erfolgen kann, z.B. Mehrprozess-Modelle mit Interprozeß-Kommunikations- Primitiven wie Semaphore oder Queues. Der Trend beim Hardware-Entwurf geht daher in Richtung der Sea-of-Processor Konzepte mit bis zu 1000 (einfachen) Prozessorkernen auf einem einzigen Chip. Bei diesem Hardware-Entwurf spielen daher Systempartitionierung und Kommunikation eine zentrale Rolle. Ein kombiniertes Hardware-Software-Co-Design ist hier unumgänglich.

  1. Motivation und Einführung
    1. Einsatz und Grenzen von Einprozessor-Systemen
    2. Architektur eines Einprozessor-Systems
    3. Programmgesteuerter Ablauf des Systems
  2. Multiprozeß-Modell
    1. Mit generischen Prozessoren
    2. Skalierung auf anwendungsspezifische Digitallogiksysteme
  3. Multiprozessor-Architekturen
    1. Mit generischen Prozessoren
    2. Skalierung auf anwendungsspezifische Digitallogiksysteme
  4. Interpozeß-Kommunikation {Mutex, Semaphore, Event, Queue,Barrier}
    1. Implementierung in Software
    2. Implementierung in Hardware
  5. Parallele Algorithmen
    1. Implementierung in Software
    2. Implementierung in Hardware
  6. Parallele Architekturen
    1. System-On-Chip-Architektur
    2. Verwendung von FPGAs & ASICs
  7. Logik-Synthese und High-Level Synthese für die Verhaltensmodellierung
  8. Pipeline-Architekturen
    1. in Funktionalen Systemen
    2. in Reaktiven Systemen

Material-integrierte Sensorische Systeme

Material-integrated Sensorial Systems

Vorlesung

ECTS: 6
Kategorie: V+Ü, 4 SWS
Veranstalter: Dr. Stefan Bosse, Dr. Dirk Lehmhus
VAK: 04-M10-2-PT08

Ziele

Die


Teilnahme an der Veranstaltung soll Studenten interdisziplinär einen system-orientierten Zugang für die Modellierung, den Entwurf und die Anwendung von material-eingebetteten oder material-applizierten Sensorischen Systemen bieten,  die aufgrund der technischen Realisierung und des Einsatzes spezielle Anforderungen an die Datenverarbeitung stellen und ein Verständnis des Gesamtsystems (inklusive Aspekte der Materialwissenschaften und Technologien) voraussetzen. Diese neuen Sensorischen Materialen finden z. B. in der Robotik (Kognition) oder in der Produktionstechnik für die Materialüberwachung Anwendung.

Def.:
Sensorischen Materialien bestehen aus einem Trägerwerkstoff, der u. U.
eine mechanisch tragende Struktur darstellen kann, und aus eingebetteten
Sensornetzwerken, die neben Sensoren auch Elektronik für die
Sensorsignalverarbeitung, Datenverarbeitung, Kommunikation, und
Kommunikations- und Energieversorgungsnetzwerke integrieren.

Folgende Kompetenzen sollen erworben werden:

  1. Grundverständni des technischen Aufbaus und der Funktionweise von Sensorischen Materialien: Elektronische Signalverarbeitung von Sensoren, Mechanisches Verhalten, Einfluss von Sensoren und Elektronik auf mechanische Eigenschaften des Trägermaterials
  2. Datenverarbeitung in Sensornetzwerken unter harten Randbedingungen wie limitierten Energieangebot, Rechenleistung und Speicher, Fehleranfälligkeit
  3. Parallele und verteilte Datenverarbeitung geeignet für low-resource Sensornetzwerke: Architekturen, Kommunikation, Kooperation, Wettbewerb um Ressourcen, Programmiermodelle
  4. Grundlagen der Robustheit, Fehlernanalyse, und Redundanz in solchen Sensornetzwerken

Inhalte

  1. Einführung in die Thematik, was ist Sensorik, warum und wofür material-integrierte Sensorik, Sensorische Materialien, Anwendungen in der Strukturüberwachung und Robotik
  2. Systemebene und System Entwicklung, Anforderungen, Entwurfsmethodiken, Test & Simulation, Normen und Standards
  3. Grundlagen von Sensoren und Elektronik, Sensor- und Elektronikentwicklung für die Materialintegration [resistive - kapazitive - piezo-res. und piezo-elektrische - optische Sensoren]
  4. Sensornetzwerke und Sensorknoten, Grundlagen, Metriken, Entwicklung
  5. Schnittstellen Technologien: Material – Sensor – Elektronik – Systeme (Vernetzung)
  6. Signal- und Datenverarbeitung in Sensornetzwerken (Knotenebene)
  7. Kommunikation in Sensornetzwerken (Netzwerkebene); drahtlose versa drahtgebundene Verbindungstechnologien, Robustheit, Fehlertoleranz, Nachrichten-basierte Vermittlung und Routing
  8. Energie-Versorgung und Management in material-integrierten Sensornetzwerken und Energiegewinnung (Harvesting)
  9. Applikationen (Robotik, Strukturüberwachung usw.)